3.3金属晶体与离子晶体-高二化学教学讲义（人教版2019选择性必修2）（原卷版）

第三节金属晶体与离子晶体知识解读·必须会知识解读·必须会知识点一金属键1.金属键的含义金属阳离子和自由电子间形成的强烈的相互作用称为金属键。（1）成键粒子：金属阳离子和自由电子。（2）实质：电性（静电）作用。（3）存在：金属键存在于所有金属和合金中。2.金属键的本质描述金属键本质的最简单理论是“电子气理论”。该理论把金属键描述为金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起。3.金属键的特征金属键没有饱和性和方向性。金属阳离子可以看作等径圆球，从不同方向与其他阳离子和自由电子间产生作用力，因此，金属键没有饱和性和方向性，且金属晶体中原子采用紧密堆积的方式。4.影响金属键强弱的主要因素影响金属键强弱的主要因素有金属原子的原子半径和单位体积内自由电子的数目及金属阳离子所带电荷的多少。金属原子半径越小，单位体积内自由电子数越多，金属阳离子所带电荷越多，金属键越强。如金属键Na<Mg<Al。知识点二金属晶体1.金属晶体的概念金属（除汞外）在常温下都是晶体，称其为金属晶体。2.金属晶体的结构特征（1）构成金属晶体的粒子是金属阳离子和自由电子。（2）在金属晶体中不存在单个分子。（3）金属晶体中金属阳离子被自由电子所包围。3.用“电子气理论”解释金属的物理性质（1）金属的导电性：在金属晶体中充满着带负电性的“电子气”，“电子气”的运动没有固定方向，但在外加电场的作用下，“电子气”会发生定向移动而形成电流，所以金属容易导电。（2）金属的导热性：金属容易导热，这是由于“电子气”中的自由电子与金属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分，使整块金属达到相同的温度。（3)金属的延展性：当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，而且弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用，所以在各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下发生形变也不易断裂。因此，金属都有良好的延展性，如下图所示。（4）有金属光泽：由于自由电子可吸收所有不同频率的光，然后很快释放出各种频率的光，因此绝大多数金属具有银白色光泽。而某些金属（如铜、金、铯、铅等）由于较易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的颜色。（5)金属的熔、沸点：金属的熔、沸点取决于金属键的强弱。金属键越强，金属的熔、沸点越高（金属的硬度也越大）。知识点三离子键1.离子键的概念阴、阳离子之间通过静电作用而形成的化学键叫离子键。2.离子键的形成条件当两种元素的原子间形成离子键时，必须一方（金属）具有较强的失电子能力，同时另一方（非金属）具有较强的得电子能力。一般应满足两种元素的电负性之差大天1.7这一条件，即活泼金属与活泼非金属之间一般形成离子键。绝大多数金属离子（或NH4+）与含氧酸根离子之间形成离子键。3.离子键的特征=1\*GB3①没有饱和性这是因为阴、阳离子在各个方向上都可以与带相反电荷的离子发生静电作用（没有方向性）；=2\*GB3②没有方向性在静电作用能够达到的范围内，只要空间条件允许，一个离子可以同时吸引多个带相反电荷的离子（没有饱和性）。知识点四离子晶体1.离子晶体的概念由阳离子和阴离子相互作用而形成的晶体，叫作离子晶体。通常情况下，离子化合物都是固体，属于离子晶体。（1）离子晶体的构成粒子：阳离子和阴离子。（2）离子晶体中的作用力：阴、阳离子间以离子键结合，离子内可能有共价键。（3）在离子晶体中无分子。如NaCl、CsCl只表示晶体中阴、阳离子个数比，为化学式，不是分子式。（4）全部由非金属元素形成的晶体也有可能是离子晶体，如铵盐。（5）离子晶体中，每一个阴（或阳）离子周围排列的带相反电荷的离子的数目都是固定的，不是任意的。2.离子晶体的结构特征离子晶体为不等径圆球（阴、阳离子半径不同）的密堆积。原因：离子键无饱和性和方向性。3.典型离子晶体的结构（1）NaCl晶体的结构①在NaCl晶体中，每个Na+周围同时吸引着6个Cl－，每个Cl－周围也同时吸引着个Na+（可以判断晶体的化学式为NaC1）。这6个Cl－（或Na+）围成一个正八面体。阴、阳离子的配位数均为6。②在NaCl晶体中，每个Na+周围与它最近且等距的Na+有12个。每个Na+周围与它最近且等距的Cl－有6个，每个Cl－周围与它最近且等距的Cl－也有12个（同层4个，上层4个，下层4个）。③在NaCl晶胞（如图所示）中，含Na+的个数为1+12×14=4，含Cl－的个数为6×12+8×18=4，晶胞的组成为“Na4Cl（2）CsCl晶体的结构①在CsCl晶体中，每个Cs+周围同时吸引着8个Cl－，每个Cl－周围也同时吸引着8个Cs+。阴、阳离子的配位数均为8。②在CsCl晶体中，每个Cs+周围最近且等距离的Cs+有6个（上、下、左、右、前、后），每个Cs+与8个Cl－等距离相邻，每个Cl－周围最近且等距离的Cl－也有6个。③在CsCl晶胞（如图所示)中，含Cs+的个数为8×18=1,含Cl－的个数为1。故晶体的化学式和晶胞的组成均为CsCl（3）CaF2晶体的结构①在CaF2晶体中，每个Ca2+周围同时吸引8个F－，每个F－周围同时吸引4个Ca2+。Ca2+的配位数为8，F－的配位数为4。②在CaF2晶胞（如图所示）中，含Ca2+的个数为6×12+8×18=4，含F－的个数为8，故晶胞的组成为“Ca4F8a.氟化钙晶体的化学式为CaF2，CaF2晶胞的组成为“Ca4F8”。b.离子晶体的化学式可由阴、阳离子的配位数判断：阴、阳离子个数比等于其配位数比的反比。4.影响晶体结构的因素（1）几何因素：晶体中阳、阴离子的半径比（r+/r）是决定离子晶体结构的重要因素，简称几何因素。阴、阳离子半径比与配位数的关系（见下表）：r+/r配位数实例0.225~0.4144ZnS0.414~0.7326NaCl0.732~1.08CsCl＞1.012CsF（2）电荷因素：晶体中阴、阳离子的电荷数之比是决定离子晶体结构的重要因素，简称电荷因素。如CsCl、CaF2晶体中，阴、阳离子所带电荷数不同，二者的晶体结构不同。（3）键性因素：离子晶体的结构类型还取决于离子键的纯粹程度(简称键性因素），即与晶体中阴、阳离子的相互极化程度有关。知识点五离子晶体的物理性质1.熔、沸点离子晶体具有较高的熔、沸点，难挥发。离子晶体中，阴、阳离子间有较强的相互作用（离子键），要克服离子间的相互作用使物质熔化和沸腾，就需要较多的能量。2.硬度和脆性离子晶体硬而脆。离子晶体中，阴、阳离子间有较强的离子键，离子晶体表现出较大的硬度。当晶体受到冲击力作用时，部分离子键发生断裂，导致晶体破碎，所以离子晶体不宜进行机械加工。3.导电性离子晶体不导电，熔融态或溶于水后才能导电。离子晶体中，离子键较强，阴、阳离子不能自由移动，即晶体中无自由移动的离子，因此，离子晶体不能导电。当升高温度时，阴、阳离子获得足够能量克服离子间的相互作用，成了自由移动的离子，在外界电场作用下，离子发生定向移动而导电。离子化合物溶于水时，阴、阳离子受到水分子作用变成了自由移动的离子（或水合离子），在外界电场作用下，阴、阳离子发生定向移动而导电。4.溶解性大多数离子晶体易溶于极性溶剂（如H2O），难溶于非极性溶剂（如汽油、苯、CCl4等）。当把离子晶体放在水中时，极性水分子对离子晶体中的离子产生吸引，使晶体中的离子克服离子间的相互作用而离开晶体，变成在水中自由移动的离子。知识点六过渡晶体与混合型晶体1.过渡晶体（1）定义由于粒子间的作用存在键型过渡，即使组成简单的晶体，也可能介于共价晶体、金属晶体、分子晶体之间的过渡状态，形成过渡晶体。事实上，纯粹的典型晶体是不多的，大多数晶体是四类典型晶体之间的过渡晶体。（2）过渡晶体的形成以离子晶体和共价晶体之间过渡为例来说明。如几种氧化物的化学键中离子键成分的百分数如表格：氧化物Na2OMgOAl2O3SiO2离子键的百分数/%62504133从上表可知：①表中4种氧化物晶体中的化学键既不是纯粹的离子键，也不是纯粹的共价键，这些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是纯粹的共价晶体，只是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体。②偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近，因而通常当作离子晶体来处理，如Na2O等。同样，偏向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理，如Al2O3、SiO2等。（3）特征①化学键处于某两种键型之间，即不纯粹属于某一种键型。②离子键的百分数越大（即电负性差值越大），越偏向离子晶体，与离子晶体的性质越接近；相反，离子键的百分数越小（即电负性差值越小），越偏向共价晶体。2.混合型晶体（1）定义：具有两种或两种以上晶体的结构和性质的晶体称为混合型晶体。混合型晶体内可能存在若干种不同的作用力。（2）石墨晶体为层状结构①石墨晶体中每个碳原子采取sp²杂化，形成三个sp²杂化轨道，分别与相邻的三个碳原子的sp²杂化轨道重叠形成σ键。②六个碳原子在同一平面上形成了正六边形的环，伸展形成无限的二维平面结构。这里CC键的键长为142pm，键角为120°；每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未杂化的p轨道，并含有一个未成对电子，这些p轨道互相平行而且相互重叠，并垂直于碳原子sp²杂化轨道构成的平面，形成遍及整个平面的大π键。③网络状的平面结构以范德华力结合形成层状结构，层与层之间的距离为335pm，距离较大（表明层间不存在化学键）。石墨晶体结构俯视图石墨的层状结构石墨结构中未参与杂化的p轨道（3）石墨的物理性质①导电性、导热性石墨晶体中，形成大π键的电子可以在整个碳原子平面中运动，比较自由，相当于金属中的自由电子，类似金属键的性质，所以石墨能导电、导热，并且导电性只能沿石墨平面的方向，这也是晶体各向异性的表现。②润滑性石墨层间作用力为范德华力，作用力较弱，层与层之间可以相对滑动，使之具有润滑性。因而可用作润滑剂等。③石墨的熔、沸点很高，石墨的熔点比金刚石还高。热点题型·学解题热点题型·学解题【例1】下列有关金属键的叙述错误的是()A．自由电子属于整块金属B．金属的物理性质和金属固体的形成都与金属键有关C．金属键没有饱和性和方向性D．金属键是金属阳离子和自由电子间的强烈的静电吸引作用【变式11】下列叙述正确的是()A.金属键具有方向性与饱和性B.描述金属键本质的最简单理论是“电子气理论”C.金属导电是因为在外加电场作用下产生了自由电子D.常温下，金属单质都以金属晶体的形式存在【例2】下图是金属晶体的“电子气”理论示意图。用该理论解释金属导电的原因是()A.金属能导电是因为含有金属阳离子B.金属能导电是因为含有的自由电子在外电场作用下做定向运动C.金属能导电是因为含有的电子作无规则运动D.金属能导电是因为金属阳离子和自由电子的相互作用【变式21】下列关于金属晶体的叙述正确的是()A．用铂金做首饰不能用金属键理论解释B．固态和熔融时易导电，熔点在1000℃左右的晶体可能是金属晶体C．Al、Na、Mg的熔点逐渐升高D．温度越高，金属的导电性越好【例3】在金属晶体中，如果金属原子的价电子数越多，原子半径越小，自由电子与金属阳离子间的作用力越大，金属的熔点越高。由此判断下列各组金属熔点的高低顺序，其中正确的是()A．Mg＞Al＞CaB．Al＞Na＞LiC．Al＞Mg＞Ca D．Mg＞Ba＞Al【变式31】下列关于金属性质的说法不正确的是()A．金属一般具有银白色光泽，是物理性质，与电子气理论没有关系B．金属具有良好的导电性，是因为金属晶体中的自由电子可在整块晶体中运动，在外加电场的作用下，自由电子发生定向移动形成了电流C．金属具有良好的导热性，是因为金属部分受热后，该区域的自由电子的能量增加，运动速率加快，自由电子通过与金属阳离子发生频繁碰撞，传递了能量D．金属晶体具有良好的延展性，是因为当金属受到外力作用时，金属晶体中的各原子层可以发生相对滑动而不改变原来的排列方式，也不破坏金属键【例4】下列说法正确的是()A.金属晶体具有良好的延展性与金属键无关B.价电子数越多的金属原子，对应元素的金属性越强C.Na、Mg、Al的熔点逐渐降低D.含有金属元素的离子不一定是阳离子【变式41】下列有关晶体性质的叙述，可能为金属晶体性质的是()A.由分子间作用力结合而成，熔点低B.固体或熔融后易导电，熔点在1000℃左右C.由共价键结合成网状结构，熔点高D.固体不导电，但溶于水或熔融后能导电【例5】下列物质的晶体一定属于离子晶体的是（）A．在水中能电离出离子的物质 B．熔融状态下能导电的化合物C．在水中能电离出H+的化合物 D．熔化时化学键无变化的化合物【变式51】能证明晶体类型为离子晶体的方法是（）A．测定溶液能否导电 B．X射线衍射法C．测定熔融能否导电 D．测定是否有确定的熔点【例6】下列有关晶体的说法中一定正确的是()①共价晶体中只存在非极性共价键②稀有气体形成的晶体属于共价晶体③干冰晶体升华时，分子内共价键会发生断裂④金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物⑤分子晶体的堆积均为分子密堆积⑥离子晶体和金属晶体中均存在阳离子，但金属晶体中却不存在离子键⑦金属晶体和离子晶体都能导电⑧依据构成粒子的堆积方式可将晶体分为金属晶体、离子晶体、分子晶体、原子晶体A．①③⑦B．只有⑥C．②④⑤⑦D．⑤⑥⑧【变式61】下列有关离子晶体的说法正确的是（）A．离子晶体中一定含有金属元素，含有金属元素的化合物一定是离子晶体B．离子键只存在于离子晶体中，离子晶体中一定含有离子键C．离子晶体中不可能含有共价键D．离子晶体受热熔化破坏化学键，吸收热量，属于化学变化【例7】CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体相似(如图所示),但CaC2晶体中由于哑铃形的存在,使晶胞沿一个方向拉长。则关于CaC2晶体的描述不正确的是()A.CaC2晶体的熔点较高、硬度也较大B.与Ca2+距离相同且最近的构成的多面体是正六面体C.与Ca2+距离相同且最近的有4个D.CaC2晶胞中共含有4个Ca2+和4个【变式71】下列关于氯化铯晶体的叙述不正确的是()A.1mol氯化铯中有个CsCl分子B.氯化铯晶体中，每个周围与它最近且等距离的有6个C.氯化铯晶体的硬度较大是由于和存在着较强的离子键D.每个晶胞中平均含有1个和1个【例8】下列氧化物中所含离子键成分的百分数最小的是()A．N2O3B．P2O3C．As2O3 D．Bi2O3【变式81】下列能说明石墨具有分子晶体的性质的是()A．晶体能导电 B．熔点高C．硬度小 D．燃烧产物是CO2【例9】石墨烯是从石墨材料中剥离出来，由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。下列关于石墨与石墨烯的说法中正确的是()A．从石墨中剥离出石墨烯需要破坏化学键B．石墨中的碳原子采取sp2杂化，每个sp2杂化轨道含23s轨道与13C．石墨属于混合型晶体，层与层之间存在分子间作用力；层内碳原子间存在共价键;石墨能导电D．1mol石墨烯中含有的六元环个数为NA【变式91】氮化硼(BN)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相，与石墨相似，具有层状结构，可作高温润滑剂；立方相氮化硼是超硬材料，有优异的耐磨性。它们的晶体结构如图所示，下列关于这两种晶体的说法正确的是()A．六方相氮化硼与石墨一样可以导电B．立方相氮化硼含有σ键和π键，所以硬度大C．两种晶体均为分子晶体D．六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间结构为平面三角形【例10】下列有关晶体的说法中正确的是（）A．共价晶体、离子晶体、金属晶体、分子晶体中都一定存在化学键B．熔点：离子晶体：MgO>NaCl;分子晶体：H2O>H2S金属晶体：锂<钠<钾<铷<铯C．金刚石的硬度大于晶体硅的硬度，其熔点也高于晶体硅的熔点D．晶体中有阴离子，必有阳离子；则晶体中有阳离子，必有阴离子【变式101】下列有关晶体的说法中一定正确的是①共价晶体中只存在非极性共价键；②稀有气体形成的晶体属于共价晶体；③干冰晶体升华时，分子内共价键会发生断裂；④金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物；⑤分子晶体的堆积均为分子密堆积；⑥离子晶体和金属晶体中均存在阳离子，但金属晶体中却不存在离子键；⑦离子晶体熔化时破坏离子键；分子晶体熔化时，化学键不破坏；⑧依据构成粒子的堆积方式可将晶体分为金属晶体、离子晶体、分子晶体、共价晶体。A．②④⑤⑦B．⑥C．⑥⑦D．⑤⑥⑧课后提升·练到位课后提升·练到位1．下列关于金属晶体及金属键的说法不正确的是()A．金属晶体和共价晶体一样，是一种“巨分子”B．金属键是金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用C．金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子D．金属受外力作用变形时，金属阳离子与自由电子间仍保持较强烈作用，因而具有延展性2．下列关于金属键的叙述中正确的是()A．金属键是金属阳离子和自由电子之间强烈的静电吸引作用B．金属原子的核外电子在金属晶体中都是自由电子C．金属具有导热性，是通过金属阳离子之间的碰撞来传导热量D．构成金属键的自由电子在整个金属内部的三维空间中做自由运动3．下列关于金属晶体的叙述正确的是()A.温度越高，金属的导电性越强B.合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，使电子数目增多，所以合金的延展性比纯金属强，硬度比纯金属小C.金属晶体中金属原子紧密堆积，能充分利用空间的原因是金属键没有饱和性和方向性D.金属晶体在外力作用下，各层之间发生相对滑动，表现出延展性，金属键被破坏4．下列有关晶体性质的叙述，可能为金属晶体性质的是()A.由分子间作用力结合而成，熔点低B.固体或熔融后易导电，熔点在1000℃左右C.由共价键结合成网状结构，熔点高D.固体不导电，但溶于水或熔融后能导电5．下列关于各类晶体的熔、沸点比较的说法正确的是()A．离子晶体：离子半径越大，晶格能越大，熔、沸点越高B．原子晶体，键长越长，键能越大，共价键越强，熔、沸点越高C．金属晶体：金属原子半径越大，金属活动性越强，熔、沸点越高D．组成与结构相似的分子晶体：相对分子质量越大，分子间作用力越大，熔、沸点越高6．要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体熔点的高低和硬度的大小一般取决于金属键的强弱，而金属键的强弱与金属阳离子所带电荷的多少及半径大小有关。由此判断下列说法正确的是()A．金属镁的熔点大于金属铝 B．碱金属的熔点从到是逐渐增大的C．金属铝的硬度大于金属钠 D．金属钙的硬度小于金属钡7.金属的下列性质中和金属晶体的结构无关的是()A．良好的导电性 B．反应中易失电子C．良好的延展性 D．良好的导热性8．下列关于金属性质的说法不正确的是()A．金属一般具有银白色光泽，是物理性质，与电子气理论没有关系B．金属具有良好的导电性，是因为金属晶体中的自由电子可在整块晶体中运动，在外加电场的作用下，自由电子发生定向移动形成了电流C．金属具有良好的导热性，是因为金属部分受热后，该区域的自由电子的能量增加，运动速率加快，自由电子通过与金属阳离子发生频繁碰撞，传递了能量D．金属晶体具有良好的延展性，是因为当金属受到外力作用时，金属晶体中的各原子层可以发生相对滑动而不改变原来的排列方式，也不破坏金属键9．下列叙述正确的是()A．金属晶体能导电，能导电的物质一定是金属B．一般情况下，金属元素在化合物中显正价C．金属元素在不同的化合物中的化合价均不同D．金属的导热性是通过自由电子的定向移动实现的10．下列说法正确的是()A．晶体中有阳离子就一定有阴离子B．晶体中有阴离子就一定有阳离子C．金属能导电是由于通电时金属离子作定向移动D．分子晶体的熔点一定比金属晶体低11．钛铁基储氢合金是由钛、铁两种元素组成的金属间化合物。该合金吸收氢气后的晶胞如图1所示，每个氢被4个钛原子和2个铁原子包围。下列说法不正确的是()A．钛铁合金属于金属晶体，主要作用力为金属键B．未吸收氢气时，钛铁合金的晶胞示意图为图2C．钛铁合金中每个Ti周围距离最近且等距的Fe有8个D．图1中形成的金属氢化物的化学式：TiFeH212.下表给出了几种氯化物的熔点和沸点。物质NaClMgCl2AlCl3CCl4熔点/℃80170819023沸点/℃1413141818077关于表中4种氯化物有下列说法:(1)AlCl3在加热时可升华(2)CCl4属于分子晶体(3)MgCl2的晶体属于离子晶体(4)AlCl3是典型的离子晶体其中正确的是()A.只有(1)和(2) B.只有(3)C.只有(1)(2)(3) D.全部一致13.下列有关石墨晶体的说法正确的是()①石墨层内作用力为共价键，层间靠范德华力维系②石墨是混合型晶体③石墨中的C为杂化④石墨的熔、沸点都比金刚石的低⑤石墨中碳原子个数和C—C键个数之比为1︰2⑥石墨和金刚石的硬度相同⑦石墨的导电性只能沿石墨平面的方向A.全部 B.①②③⑦ C.仅②③⑦ D.①②⑤⑦14.CaO的晶胞如下图所示,其中与Ca2+最近的O2数为 ()A.4 B.6C.8 D.1215.金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式:六方最密堆积、面心立方最密堆积和体心立方堆积,如图甲、乙、丙分别代表这三种堆积方式的单元结构,则甲、乙、丙三种单元内金属原子个数比为()A.1∶2∶1 B.3∶2∶1C.9∶8∶4 D.21∶14∶916.石墨的片层结构如图所示。在片层结构中，碳原子数、C—C键数、六元环数之比为()A.1︰1︰1 B.2︰2︰3 C.1︰2︰3 D.2︰3︰117.晶体熔、沸点的高低，取决于组成晶体微粒间的作用力的大小。同类晶体物质熔、沸点的变化是有规律的，试分析下列两组物质熔点规律性变化的原因：A组物质NaClKClCsCl熔点/K10741049918B组物质NaMgAl熔点/K370922933（1）A组物质是________晶体，晶体中微粒之间通过________相连。B组物质是________晶体，价电子数由少到多的顺序是__________，粒